一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法，包括以下步骤：以一种专用钢材为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再采用自由锻加模具锻的复合锻造方式对坯料进行锻造，得到阀座的二次锻坯；对阀座锻坯进行正火，并采用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺对阀座锻坯进行淬火热处理；将经过淬火热处理后的阀座锻件加热至675~690℃并保温至少10小时，出炉空冷至室温，即得到深海采油设备阀座用钢锻件。本发明专利技术的锻造工艺与热处理工艺的组合有效地防止了形状复杂的大锻件淬火开裂，而且制造的深海采油设备阀座用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法，属于金属锻造与热处理领域。
技术介绍
我国南海具有丰富的油气资源，其地质储量达230亿～300亿吨，其中75％位于深海区域。针对深海中的油气资源，就需要用到深海采油设备将油气资源顺利开采上来。在深海采油设备中存在着大量各种类型的阀门，其中包括：闸阀、节流阀、旋塞阀、止回阀、节流阀、紧急切断阀等。由此可见，阀门是深海采油设备组成的一个重要部分。阀座恰恰又是阀门所有部件和管线的承载体，要求具有良好的力学性能来承载起阀门和管线。另一方面，深海采油的环境较为苛刻，采油设备往往要面临着环境脏(泥浆多)、腐蚀强(各类腐蚀性气体和液体)、压力高(通常需要面对35MPa～69MPa的压力)以及温度低(工作温度为-50℃左右)等工作环境。作为采油设备的重要组成的阀门和阀座就需要具有良好的抗腐蚀、抗压力和低温力学性能，尤其是阀座作为承重单位还必须具有良好的低温韧性。目前，国际上制造深海采油设备阀座材料通常选用AISI4130(MOD)，该材料属于中等淬透性低合金结构钢，加上阀座尺寸较大，结构较复杂，存在多个圆方过渡界面，往往在水冷淬火时会因为冷却速度过大而出现内应力过大，导致阀座淬裂。此外，由于阀座尺寸较大，往往不容易锻透，造成偏析、疏松和锁孔在锻造过程中无法消除，在后继热处理过程中，会在这些缺陷部位造成应力集中，导致阀座发生开裂或者降低其有效承载能力。因此，使用常规的锻造工艺来处理AISI4130(MOD)材料制造深海阀座无法保证产品的成功率和合格率，尤其是阀座的低温韧性达不到要求，无法保证其在深海采油设备中的使用寿命。因此，期望能够采用一种新的制造方法来处理AISI4130(MOD)材料，使其性能能够满足深海采油环境的需求，解决上述问题。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于，提供一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法，制造的深海采油设备阀座用钢锻件的抗腐蚀性和综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。本专利技术的技术方案为：一种深海采油设备阀座用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：本专利技术还提供了一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以上述的一种深海采油设备阀座用钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻方法对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；(2)对步骤(1)得到的阀座一次锻造坯回炉加热，然后采用模具锻造方法进行热锻，得到阀座二次锻造坯；(3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造坯进行正火处理；(4)对步骤(3)得到的阀座二次锻造坯利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；(5)将经过步骤(4)处理后的阀座锻件加热至675～690℃并保温至少10小时，出炉空冷至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。进一步地，上述步骤(1)中所述玻璃状涂层主要成分及其质量百分比含量为：进一步地，上述步骤(1)中，所述自由锻造方法包括以下步骤：将坯料沿轴向镦粗→将镦粗的坯料沿直径方向镦拔→二次镦粗→二次镦拔→三次镦粗→三次镦拔→四次镦粗→四次镦拔。进一步地，上述步骤(2)中，所述模具锻造方法包括以下步骤：将坯料加热到1100±10℃，并保温至少3小时→装模，锻造成型。进一步地，上述步骤(3)中，所述正火处理具体包括以下步骤：将步骤(2)得到的阀座锻坯加热至1000±20℃并保温至少5小时后，出炉空冷至室温。进一步地，上述步骤(4)中，所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺具体包括以下步骤：将步骤(3)正火处理后的阀座二次锻造坯加热至淬火温度并保温，出炉，然后依次进行入冰水冷却—出水空冷—再入沸水冷却—最后再普通水冷却至室温，其中第一次入冰水冷却时间t按照经验公式t＝K×D来估算，式中，钢铁材料系数K为0.6～1.0s/mm，D为阀座锻件的直径，单位mm；空气冷却时间为第一次入冰水冷却时间的2.0～3.0倍；入沸水冷却时间为第一次入冰水冷却时间的1.5～2.5倍；最后普通水冷时间为第一次入冰水时间的20～50倍。进一步地，上述步骤(4)中，所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺之前，将步骤(3)得到的阀座锻坯加热至900±20℃并保温至少4小时后，降温至850±20℃保温至少3小时。进一步地，上述步骤(4)中，利用所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理的过程中，开始时淬火的水温低于5℃，结束时淬火的水温低于40℃。进一步地，上述步骤(4)中，利用所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理的过程中，两次水冷的过程中，对水进行搅拌处理，其中，水的搅拌流速不小于0.5m/s。本专利技术所达到的有益效果：1.本专利技术深海采油设备阀座用钢的各成分中，铬、镍和钼成分范围较AISI4130(MOD)范围要高，这在后期锻造过程中能够有效防止了形状复杂的大锻件的开裂，以及强化其低温综合力学性能尤其是低温韧性；钢铁成分中还特意添加了少量的钆元素，一方面钆元素在晶界位置阻碍了晶粒的长大，起到了细化晶粒作用，提高了合金的综合力学性能，另一方面，在锻造过程中钆与铁在晶界处形成的Gd-Fe金属间化合物被有效的揉碎均匀分布于合金内部，使合金的耐腐蚀性能和综合力学性能得到了质的提升。2.在钢铁材料表面涂覆一层玻璃状涂层，能在后继热锻过程中有效的防止钢铁材料表面生成氧化皮，以及锻造过程中材料表面碳元素的损失，使得钢铁材料的成分稳定，性能得到保障。3.锻造工艺采用自由锻结合模具锻的复合锻造工艺，在首次自由锻的过程中将钢铁材料镦实镦透，降低钢铁材料在铸造过程中形成的偏析、疏松和锁孔，破碎材料内部粗大枝状晶，提高合金的力学性能和抗腐蚀能力；随后再用模具锻锻造过程中，利用模具对坯料的压力将铸态金属中疏松、空隙和裂纹等原始缺陷最大程度地压实，提高了金属的致密度和连续性，同时促进铸态组织揉合，使锻件内外组织趋向均匀，有效地减轻了锻件的偏析程度；同时利用大塑性变形作用使材料晶粒细化，进一步提高合金的综合力学性能和抗腐蚀能力。采用复合锻的目的是利用坯料变形方向变化多，钢锭心部金属向外流动，有效地破碎了钢锭中心的铸态树枝晶组织、锻合钢锭内部的疏松、孔穴、裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性；同时促进了铸态组织的揉合，使锻件内外组织趋向均匀，减轻了锻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海采油设备阀座用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：碳         0.28~0.33；硅         0.15~0.35；锰         0.40~0.60；硫         ≤0.040；磷         ≤0.035；铬         1.10~1.80；镍         ≤0.030；铜         ≤0.030；钼         0.25~0.35；钆         0.20～0.40铁         余量。

【技术特征摘要】
1.一种深海采油设备阀座用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：
碳0.28~0.33；
硅0.15~0.35；
锰0.40~0.60；
硫≤0.040；
磷≤0.035；
铬1.10~1.80；
镍≤0.030；
铜≤0.030；
钼0.25~0.35；
钆0.20～0.40
铁余量。
2.一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以上述的一种深海采油设备阀座用钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然
后再利用自由锻方法对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；
（2）对步骤（1）得到的阀座一次锻造坯回炉加热，然后采用模具锻造方法进行热锻，得
到阀座二次锻造坯；
（3）对步骤（2）得到的阀座二次锻造坯进行正火处理；
（4）对步骤（3）得到的阀座二次锻造坯利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水
冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；
（5）将经过步骤（4）处理后的阀座锻件加热至675~690℃并保温至少10小时，出炉空冷
至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
3.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述
步骤（1）中所述玻璃状涂层主要成分及其质量百分比含量为：
SiO250%；
Al2O32%；
CaO3%；
黏土15%；
水玻璃30%。
4.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述
步骤（1）中，所述自由锻造方法包括以下步骤：将坯料沿轴向镦粗→将镦粗的坯料沿直径方
向镦拔→二次镦粗→二次镦拔→三次镦粗→三次镦拔→四次镦粗→四次镦拔。
5.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述
步骤（2）中，所述模具锻造方法包括以下步骤：将坯料加热到1100±10℃，并保温至少3小时
→...

【专利技术属性】
技术研发人员：巨佳，王章忠，张保森，巴志新，毛向阳，杨柳，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32